Sid 1 (13) TEKNISKA BESTÄMMELSER FÖR ELEKTRISK UTRUSTNING Rubrik Betecknin Miljöspecifikation för jordbävninsförhållanden TBE 102:2 Utåva 5 (S) Innehåll 1 ALLMÄNT... 2 1.1 Bakrund... 2 1.2 Överripande mål avseende jordbävninstålihet... 2 1.3 Nykonstruktion eller byte av utrustnin... 3 1.4 Tillämplia standarder och reelverk... 3 2 DEFINITIONER... 3 3 MILJÖFÖRHÅLLANDEN... 4 3.1 Allmänt om miljön... 4 3.2 Dimensionerande seismisk miljö... 5 3.3 Responsspektra... 5 3.4 Seismiska miljöklasser för Forsmark 3 och Oskarshamn 3 (F3/O3)... 6 3.5 Seismiska miljöklasser för övria block... 6 3.6 Dämpnin... 7 3.7 Markresponsspektra... 8 3.8 Exempel på samband mellan markrespons, olvrespons och respons för installerad utrustnin... 10 3.9 Seismiska miljöklasser - 4 % dämpnin... 11 3.10 Seismiska miljöklasser - 5 % dämpnin... 12 3.11 Seismiska miljöklasser - 7 % dämpnin... 13 Betecknin Utåva Datum Ersätter TBE 102:2 5 (S) 2013-08-20 Utåva 4 (S)
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 2 (13) 1 ALLMÄNT Dessa Tekniska Bestämmelser er anvisninar för hur seismiska krav ska formuleras och tolkas för elektrisk utrustnin avsedd för användnin i svenska kärnkraftverk. 1.1 Bakrund De tio första kärnkraftverken i Sverie dimensionerades ursprunlien utan krav på jordbävninstålihet. Anläninarna bedömdes få ett tillräcklit skydd mot jordbävninar enom andra dimensionerinskrav. Med anlednin av de höjda säkerhetskrav som tillkommit efter uppförandet, har krav på blockens tålihet mot jordbävninar skärpts. För de två senast uppförda kärnkraftsblocken Forsmark 3 och Oskarshamn 3 (F3/O3) har jordbävninskrav enlit amerikanska reelverk tillämpats redan vid konstruktion och uppförande. Senare, i ett emensamt projekt mellan SSM (Strålsäkerhetsmyndiheten) och kraftbolaen under åren 1985-1989, definierades en karakteristik för jordbävninar (markresponsspektrum) vars frekvensinnehåll och varaktihet är anpassad till svenska förhållanden. Responsspektra tos fram för frekvenserna le-5/år, 1E-6/år och 1E-7/år. Se avsnitt 3.7, Fiur 1. Frekvenserna 1E-5/år respektive 1E-7/år har valts som utånspunkt för att bedöma reaktorns säkra avställnin och kylnin respektive reaktorinneslutninens utsläppsberänsande förmåa. Vid kraftbolaens fortsatta emensamma arbete med att verifiera anläninarnas seismiska tålihet, har svåriheter uppstått, då svenska jordbävninsspektra har höre accelerationer än motsvarande amerikanska för frekvenser över 10 Hz. Detta medför att internationell erfarenhet och utförda provninar vanlien inte är direkt tillämplia för svenska förhållanden. Särskilt för elektrisk utrustnin, exempelvis reläer och kontaktorer, som är känslia för frekvenser över ca 33 Hz har det visat si svårt att analysera och verifiera tålihet och funktion då ina internationella analyser av sådan utrustnin jorts för dessa höa frekvenser. För att fortsättninsvis kunna verifiera de äldre kärnkraftverken för seismisk påverkan har följande mål formulerats. 1.2 Överripande mål avseende jordbävninstålihet Strukturer och komponenter av väsentli betydelse för reaktorns säkra avställnin och kylnin i ett fortvarihetstillstånd ska ha en jordbävninstålihet som är tillräckli för de jordbävninslaster vilka kan förkomma med en enomsnittli frekvens större än 1E-5/år och block. Kravet äller även vedervånin, varmed avses att bynadsdelar, rörsystem eller utrustnin, som inte behöver vara seismiskt kvalificerad, inte får orsaka skada på utrustnin som erfordras för säker avställnin vid en jordbävnin. Som exempel på vedervåninskrav kan nämnas att bynadsdelar, rörsystem eller utrustnin inte får lossna, brinna, explodera, orsaka kortslutninar, etc, till följd av en jordbävnin.
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 3 (13) 1.3 Nykonstruktion eller byte av utrustnin Vid nykonstruktion eller byte av komponenttyp ska riktlinjer enlit denna Tekniska Bestämmelse följas. Tillämplia seismiska krav ska anes i Teknisk Specifikation. Dessa krav ska omfatta specifika kravresponsspektra eller responsspektra valt enlit avsnitt 3.4 eller 3.5. I det senare fallet ska valda spektra enlit seismisk miljöklass SL1 - utöra en envelopp till specifika kravresponsspektra. 1.4 Tillämplia standarder och reelverk IEC 60980 Recommended practices for seismic qualification of electrical equipment of the safety system for nuclear eneratin stations. IEEE Std 344 Recommended Practices for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generatin Stations. Andra likvärdia standarder och reelverk kan användas efter Beställarens odkännande. 2 DEFINITIONER Frekvens Bereppet frekvens används här med två helt olika betydelser: 1) Avser inträffandefrekvensen med enheten 1/år. Inträffandefrekvensen är inversen av den statistiska medeltiden mellan inträffade jordbävninar för ett kärnkraftblock med en maximal markacceleration (PGA) större än ett ivet värde. 2) Avser frekvensinnehållet, med enheten Hz, för de aktuella jordbävninsförloppen. Jordbävninslaster I dessa sammanhan anes accelerationskrafter med enheten m/s 2 eller, där 1 = 9,81 m/s 2. Dämpnin Med dämpnin avses här eneriförluster som minskar svänninarnas styrka och varaktihet i mekaniskt svänande system. Dämpnin inträffar främst till följd av friktion i mekaniska förbindninar och bestående deformationer i konstruktionsmaterialen. Dämpnin anes i procent av kritisk dämpnin, varmed avses att nästkommande svännin har x % mindre eneriinnehåll än den föreående. Vanlia värden på dämpnin är 2-10%. Nod Med nod avses här den positionen i en bynad för vilken ett responsspektrum är framtaet.
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 4 (13) PGA (Peak Ground Acceleration) Se definition av ZPA. Responsspektrum Ett responsspektrum är ett diaram visande maximal respons i form av exempelvis förflyttnin, hastihet eller acceleration, verkande på alla tänkbara enfrihetsradssystem, orsakade av en iven tillförd skaknin (exempelvis markrörelse eller bynadsrörelse). Vanlien anes ett responsspektrum för en iven dämpnin. Dämpninen äller för respektive påverkat svänninssystem (uppställd utrustnin), vid placerin i den nod för vilken det framtana responsspektrum äller. Exempel på responsspektra visas i avsnitt 3.8. Responsspektra definieras för de båda horisontella riktninarna (x, y), samt vertikalt (z). För F3/O3 örs normalt inen åtskillnad i responsspektrum för x- respektive y-riktninen. För de äldre blocken, vilka ej konstruerats för seismisk påverkan, kan det förelia stora skillnader i responsspektrum för x- respektive y-riktninen. Normalt beaktas ett enveloppsresponsspektrum till de två riktninarna x och y. Time History Ett diaram, med enheten tid på x-axeln och acceleration på y-axeln, som beskriver den konstruktionsstyrande skakninen. Avsnitt 3.7, Fiur 2, beskriver en Time History för markrörelsen. En Time History kan också beräknas för ett visst våninsplan, vari då inår såväl dynamiska filter- och förstärkninsfaktorer för bynaden ifråa och andra påverkande konstruktionselement. ZPA (Zero Period Acceleration) Accelerationsnivå för de höa frekvenserna i den del av responsspektrum där ina förstärkninseffekter erhålls. Vid ökande frekvens planar responskurvan ut asymptotiskt mot ZPA-värdet. ZPA-värdet är ett mått på den största tillförda accelerationen och motsvarar toppvärdet i tidsförloppet (time history) som används för härlednin av responsspektrum. De höre accelerationsvärden som erhålls i responsspektrum beror på resonansfenomen i de påverkade systemen. För markacceleration används ofta beteckninen PGA (Peak Ground Acceleration) i stället för ZPA. Avsnitt 3.8 visar exempel på responsspektra med respektive ZPAnivåer markerade. 3 MILJÖFÖRHÅLLANDEN Detta avsnitt er rundläande information om de seismiska belastninar som bynader och utrustninar utsätts för. Verifierinskraven för utrustnin med seismiska krav är aniven i KBE EP-147. 3.1 Allmänt om miljön En jordbävnin er upphov till både horisontella och vertikala markrörelser. Dessa rörelser kan närmast liknas vid brus med ett huvudsaklit frekvensinnehåll under 50 Hz. Varaktiheten för en större svensk jordbävnin är av storleksordninen 10 sekunder. Se Time History diarammen i avsnitt 3.7, Fiur 2.
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 5 (13) 3.2 Dimensionerande seismisk miljö För svenska kärnkraftblock äller att så kallade S1 Earthquake enlit IEC 60980 eller OBE Operatin Basis Earthquake enlit amerikanska reelverk (med frekvensen 1E-2/år) inte behöver beaktas. Detta avser en jordbävnin som förväntas inträffa under anläninens drifttid. Däremot ska S2 Earthquake enlit IEC 60980 eller SSE Safe Shutdown Earthquake enlit amerikanska reelverk beaktas. Detta innebär att för jordbävninslaster, som kan förkomma med en enomsnittli frekvens större än 1E-5/år och block, ska erforderlia säkerhetsfunktioner visas kunna funera på avsett sätt. De markrörelser som definierats för svenska kärnkraftverk visas i avsnitt 3.7, Fiur 1. För F3/O3 äller kurvan som baserats på Reulatory Guide 1.60, men modifierats för PGA = 0,15, horisontell acceleration. 3.3 Responsspektra Utående från det ivna markresponsspektrum enlit avsnitt 3.7, Fiur 1, tas aktuellt olvresponsspektrum fram för den nod (plats) där den elektriska utrustninen ska placeras. De tillämplia horisontella och vertikala responsspektra anes i Teknisk Specifikation. I ett tidit konstruktions- eller upphandlinsskede är möjlien dämpninen inte känd för den aktuella elektriska utrustninen, varför responsspektra för noden bör tas fram för flera dämpninsvärden. Se även avsnitt 3.6. För att undvika att ett stort antal responsspektra åberopas vid konstruktion eller upphandlin av elektrisk utrustnin, örs vanlien en förenklin så att verifierin utförs mot en seismiska miljöklass enlit detta dokument. Den seismiska miljöklassen blir därmed den kravnivå som verifieras i provnin enlit KBE EP-147. Då man använder denna typ av breddade responsspektra bör det observeras att den tillförda enerin är proportionell mot roten ur bandbredden. Detta kan medföra att en utrustnin som klarar varje enskilt responsspektrum, inte tål den sammanlarade tillförda enerin vid ett prov med ett breddat responsspektrum som utör en envelopp av de enskilda responsspektra.
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 6 (13) 3.4 Seismiska miljöklasser för Forsmark 3 och Oskarshamn 3 (F3/O3) För F3/03 är konstruktionsstyrande horisontell markrörelse ZPA = 0,15. Se avsnitt 3.7, Fiur 1. Vertikal markrörelse ska förutsättas vara 2/3 av den horisontella. För F3/O3 äller schablonmässia responsspektra baserat på vilken höjd i bynaden som utrustninen placeras samt beroende på hur utrustninen monteras. Det finns tre seismiska miljöklasser definierade, klass 3, 4 och 5. För klasserna 3 och 4 es responsspektra för horisontell respektive vertikal riktnin. För klass 5 har ina specifika responsspektra anivits. Sammanlarin av bynadsrespons beräknas enlit Reulatory Guide 1.92, Rev 1. För utrustnin monterad direkt på väar eller olv ska enlit nuvarande krav responsspektra tillhörande seismisk miljöklass SL1 eller SL2 tillämpas. För utrustnin monterad på annan struktur äller klass. Se Tabell 1 nedan. Seismisk miljöklass, ällande endast för F3/O3 Seismisk Utrustninens placerin miljöklass SL1 Utrustnin monterad direkt mot bynadsstruktur, 0 8 m över mark. SL2 Utrustnin monterad direkt mot bynadsstruktur, 8 20 m över mark. Utrustnin monterad på t.ex. rör, ventilationstrummor, kabelstear eller andra strukturer. Ersätter tidiare klassbetecknin Klass 3 Klass 4 Klass 5 Tabell 1 Responskurvor för ovanstående seismiska miljöklasser visas i avsnitt 3.9, 3.10 och 3.11. 3.5 Seismiska miljöklasser för övria block För övria block som ursprunlien ej konstruerats med avseende på jordbävnin, är det inte tillåtet att utnyttja den schablonmässia klassindelnin för F3/O3. För varje utrustnin ska kravresponsspektra tas fram för den aktuella utrustninens montaeposition. När kravresponsspektra taits fram för både horisontell och vertikal acceleration, ska ett responsspektrum väljas som omsluter de framtana horisontella och vertikala kravresponsspektra för de aktuella positionerna. För utrustnin som kan komma att användas i flera montaepositioner eller bynader, bör responsspektrum väljas så att kvalificerinen även blir ilti för samtlia dessa positioner och bynader. Främst ska responsspektrum väljas från nåon av de seismiska miljöklasserna SL1. I dessa klasser finns responsspektrum definierade för 4 %, 5 % respektive 7 % dämpnin. Dämpninsvärdet för provninsspektret får inte vara större än den aktuella utrustninens lästa dämpninsvärde. För alternativa dämpninsvärden använd IEC 60980 för att avläsa förstärkninsfaktorn (kvoten mellan stron part och ZPA) vid olika dämpninar för en typisk time-history.
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 7 (13) Klasserna SL1- ör inen åtskillnad på vertikal och horisontell acceleration med avseende på det provninsspektrum som ska användas. Om inet breddat responsspektrum enlit klass SL1- omsluter aktuella spektra för specifika montaepositioner, eller om det breddade spektret bedöms vara alltför konservativt, kan i stället de horisontella och vertikala spektra för specifika montaepositioner användas som kravresponsspektra. Seismisk miljöklass, alla block utom F3/O3 Seismisk Utrustninens placerin miljöklass SL1 Utrustnin monterad direkt mot bynadsstruktur SL2 - " - - " - SL3 - " - - " - SL4 - " - - " - Lästa tillåtna klass för utrustnin monterad på t.ex. rör, ventilationstrummor, kabelstear eller andra installerade strukturer Utrustnin monterad på t.ex. rör, ventilationstrummor, kabelstear eller andra installerade strukturer Kommentar Responsspektrum baseras på det beräknade maximala bynadsresponsspektrum. Responsspektrum baseras på det beräknade maximala responsspektrum för strukturer. Tabell 2 Responskurvor för ovanstående seismiska miljöklasser visas i avsnitt 3.9, 3.10 och 3.11. 3.6 Dämpnin Dämpninsvärde vid verifierin enom provnin eller analys ska väljas antinen enlit accepterad standard, till exempel de i avsnitt 1.4 anivna, eller enlit vedertaen praxis, som ska vara dokumenterad. - " - Om dämpninsvärdet inte kan fastställas ska 5 % användas.
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 8 (13) 3.7 Markresponsspektra Fiur 1 Diarammet visar överst, ällande konstruktionsstyrande markresponsspektrum för F3/O3, baserat på Reulatory Guide 1.60, modifierad för PGA = 0,15 horisontell acceleration. Övria kurvor visar senare definierade konstruktionsstyrande markresponsspektra, baserade på specifika svenska förhållanden, med de årlia frekvenserna 1E-5, 1E-6 och 1E-7. Samtlia kurvor avser 5 % dämpnin.
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 9 (13) Fiur 2 Exempel på svenskt jordbävninsförlopp
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 10 (13) 3.8 Exempel på samband mellan markrespons, olvrespons och respons för installerad utrustnin Exempel på upprepad responsspektrumberäknin. Markresponsspektrum, vars utseende beror av förläninsplatsens eoloiska beskaffenhet, förstärks i bynaden till ett olvresponsspektrum. Ett elskåp är placerat på olvet, innehållande elektronik och andra elektriska komponenter. Golvresponsspektrum förstärks i elskåpet till ett nytt responsspektrum ällande för en position i elskåpet. Markresponsspektrum äller här för 5 % dämpnin vid en maximal markacceleration av 1,5 m/s 2 och används vid analys av bynader. Golvresponsspektrum äller här för 4 % dämpnin med en maximal olvacceleration av 5,5 m/s 2. Skåpet utsätts för accelerationen kännetecknad av olvresponsspektrum. En position i skåpet uppvisar accelerationer enlit responsspektrum betecknat Skåprespons. Det är framtaet för dämpninen 5 %. Den maximala accelerationen är 8,0 m/s 2. Skåpet har en resonans vid 24 Hz, vilket er accelerationsvärden på 36 m/s 2. Skåpets responsspektrum enlit fiuren aner således effekten på påverkade komponenter (enfrihetsradsmodeller med 5 % dämpnin) i den analyserade positionen i skåpet. Om den påverkade komponenten har en resonansfrekvens vid 11 Hz, läser vi av accelerationen 19 m/s 2, medan om resonansen inträffar vid 15 Hz, läser vi av 36 m/s 2. Dessa accelerationer uppkommer till följd av en markrörelse av den typ som visas i avsnitt 3.7, Fiur 2.
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 11 (13) 3.9 Seismiska miljöklasser - 4 % dämpnin 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 SL4 SL3 SL2 SL1 0 1 10 100 Hz SL1 SL2 SL3 SL4 1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,4 0,4 1,6 0,4 1,3 1,6 2,0 2,7 3,5 3 1,7 2,8 3,4 4,2 6,0 7,8 4 2,3 2,8 3,9 6,0 7,5 11,2 25 2,3 2,8 3,9 6,0 7,5 11,2 50 0,4 0,7 1,1 1,7 3,0 3,2 60 0,4 0,7 1,1 1,7 3,0 3,2 Hz
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 12 (13) 3.10 Seismiska miljöklasser - 5 % dämpnin 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 SL4 SL3 SL2 SL1 Hz 1 10 100 Hz SL1 SL2 SL3 SL4 1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,4 0,4 1,6 0,4 1,2 1,6 2,0 2,7 3,5 3 1,5 2,5 3,4 4,2 5,5 7,8 4 2,1 2,5 3,4 5,2 6,8 9,9 25 2,1 2,5 3,4 5,2 6,8 9,9 50 0,4 0,7 1,1 1,7 3.0 3,2 60 0,4 0,7 1,1 1,7 3.0 3,2
TBE 102:2 Utåva 5 (S) Sid 13 (13) 3.11 Seismiska miljöklasser - 7 % dämpnin 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 SL4 SL3 SL2 SL1 Hz 1 10 100 Hz SL1 SL2 G SL3 SL4 1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,4 0,4 1,6 0,4 1,1 1,6 2,0 2,4 3,5 3 1,4 2,24 3,0 4,2 4,9 7,8 4 1,84 2,24 3,0 4,6 6,0 8,6 25 1,84 2,24 3,0 4,6 6,0 8,6 50 0,4 0,7 1,1 1,7 3,0 3,2 60 0,4 0,7 1,1 1,7 3,0 3,2